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문제 정의
- 개발 로봇은 중공형 구동 모듈을 채택하고 있으므로 중공을 통과하는 케이블을 최소화하고자 하였다. 이를 위하여 모터 드라이브를 링크 내부에 배치하였고 Host PC와 모터 드라이브간의 연결을 EtherCAT 통신을 이용하여 데이지 체인 방식으로 구현하였다.
- 본 논문에서는 휴대폰 포장 작업용 셀 공정 적용이 가능한 양팔로봇을 제안하였다. 인간과 동일한 작업공간에서 작업할 수 있는 로봇 개발이라는 최근 연구 경향 및 포장 작업 공정 분석에 근거하여 사양을 도출하였고 양팔로봇 설계 및 제작을 진행하였다.
- 본 절에서는 경량 고출력 사양으로 설계된 구동모듈을 기반으로 한 양팔로봇 시스템 구현에 관하여 기술한다.
- 본 절에서는 휴대폰 포장 작업의 분석을 통하여 작업을 수행하기 위하여 필요한 양팔로봇의 사양 도출 과정 및 도출된 사양을 근거로 한 로봇 설계과정을 기술하였다.
- 이에 본 논문에서는 셀 생산 라인, 특히 휴대폰 생산 라인 적용을 목표로 하여 개발한 인간형 양팔 로봇의 개발 결과를 제시하고, 이에 필요한 다양한 요소 기술 및 공정 구현을 위한 시스템 통합 기술에 대하여 전반적으로 기술하고자 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
가설 설정
- 상기 시나리오를 개발 로봇을 활용하여 구현하였다. 작업대는 컨베이어를 가정하여 제작하였고, 액세서리는 컨베이어의 앞쪽에 배치하였다. 실제 작업환경과는 차이가 있겠지만, 타당성 검증을 위하여 액세서리를 하나씩 테이블에 올려놓고 양팔을 활용하여 한 팔이 하나씩의 액세서리를 핸들링하도록 하였다.
제안 방법
- 그리고 각 조인트의 구동부를 선정하기 위하여 동역학 시뮬레이션을 통하여 필요토크를 산출하였다. 가반 하중을 5kg으로 선정하였으므로 5kg 부하를 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 가장 가혹한 상황을 고려하기 위하여 팔이 수평으로 최대한 뻗은 상황에서 2, 4, 6축이 동시에 가속되면서 구동되는 상황을 시뮬레이션 하여 Table 2와 같이 필요토크를 산출하였다.
- 가반 하중을 5kg으로 선정하였으므로 5kg 부하를 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다. 가장 가혹한 상황을 고려하기 위하여 팔이 수평으로 최대한 뻗은 상황에서 2, 4, 6축이 동시에 가속되면서 구동되는 상황을 시뮬레이션 하여 Table 2와 같이 필요토크를 산출하였다.
- 개발 로봇의 성능을 검증하기 위하여 반복정밀도 및 암 말단의 선속도를 측정하였다. 반복정밀도는 10회의 동일한 3점 경로를 동작하여, 매회 도달한 위치를 레이저 트랙커로 측정하였다.
- 이 경우 유닛 박스 포장에 필요한 각종 액세서리의 핸들링 및 유닛 박스의 핸들링 또한 가능하다. 그리고 각 조인트 구동속도를 결정하기 위하여 모션 분석 시스템을 활용하여 실제 사람이 유닛 박스 포장 작업시의 양팔 모션을 분석하였다. 포장 작업 수행 시에 환산된 조인트 앵글 속도 정보를 분석한 결과 대부분 작업구간에서 150 degree/sec를 넘지 않음을 확인하였다.
- 그리고 각 조인트의 구동부를 선정하기 위하여 동역학 시뮬레이션을 통하여 필요토크를 산출하였다. 가반 하중을 5kg으로 선정하였으므로 5kg 부하를 고려하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 동적인 사양을 도출하기 위하여 우선 필요 가반 하중을 계산하였다. 작업 대상물로는 특정 휴대폰 모델을 선정하였는데 생산되고 있는 대부분의 휴대폰이 선정한 모델과 사양 측면에서 유사하므로 일반적으로 적용이 가능하다고 할 수 있다.
- 4와 같다. 또한 로봇 링크와 결합하기 전에 각각의 구동 모듈에 대한 성능평가를 수행하였고 각 모듈별로 부하테스트를 수행하여 성능을 검증하였다. 그 결과 모두 목표 사양을 만족함을 확인할 수 있었다.
- 또한 말단의 선속도는 팔의 회전 동작 시 시간에 대한 말단의 위치를 측정하였는데, 레이저 트랙커의 수신부를 양팔로봇의 암 말단에 부착하고, 팔의 회전 동작을 수행하여 3ms 마다 측정된 X, Y, Z 좌표를 이용하여 말단의 선속도를 계산하였다. 선속도 측정결과 1m/sec 이상임을 확인할 수 있었다.
- 2와 같다. 또한 모듈을 경량 박형으로 만들기 위하여 구동 모듈에 사용할 모터, 감속기, 엔코더 등의 부품을 최대한 경량/박형 제품을 선택하여 필요 사양을 만족할 수 있도록 구동 모듈을 설계하였다. 모듈에 대한 개념 설계도는 Fig.
- 하지만 본 논문에서 제안하는 양팔로봇은 인간과 유사한 크기를 목표로 하기 때문에 기존의 로봇에 비하여 구동모듈의 크기에 제약이 있다. 또한 충돌감지를 위하여 말단축을 제외한 모든 축에 조인트 토크 센서를 배치하였다. 이로 인하여 발생할 수 있는 토크 센서 및 감속기의 강성으로 인한 출력단 변형을 정확히 측정하기 위하여 이중 엔코더 구조를 제안하였다.
- 그리고 해당 액세서리의 위치 및 자세를 인식하여 로봇 제어기로 그 정보를 전달하여야 한다. 물체 인식을 위하여 영상정보를 사용하였는데 비닐 포장된 물체의 인식률을 높이기 위하여 배면광을 사용하였다. Fig.
- 개발 로봇의 성능을 검증하기 위하여 반복정밀도 및 암 말단의 선속도를 측정하였다. 반복정밀도는 10회의 동일한 3점 경로를 동작하여, 매회 도달한 위치를 레이저 트랙커로 측정하였다. 양팔 로봇이기 때문에 오른팔, 왼팔을 각각 측정하였고 이 때 최대오차는 각각 0.
- 상기의 다양한 요소 기술을 효율적으로 통합하기 위해서는EtherCAT8 통신을 통하여 각 축의 모터 드라이브(EtherCAT 슬레이브 노드)에 명령을 전달할 수 있도록 하는 EtherCAT Master 부를 포함하여 다양한 알고리즘을 통합할 수 있는 소프트웨어 프레임워크가 필수적으로 요구된다. 본 논문에서 제안하는 소프트웨어 프레임워크는 SimLab사에서 개발한 RealtimeRoboitcs를 근간으로 하여, 실시 간성이 요구되는 EtherCAT 통신부는 실시간 OS인 RTX상에 구현하였고, 제어 알고리즘 연산부는 윈도 OS상에서 구현하였다. 또한 인지 알고리즘 연산부 및 사용자 인터페이스부와는 TCP/IP 통신을 통하여 연동하였다.
- EtherCAT 기반으로 로봇을 제어하기 위해서는 Host PC측에 마스터부가 구현이 되어 각 구동부의 슬레이브 노드를 연결할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 Simlab사에서 개발한 솔루션인 Realtime Roboitcs 프레임을 사용하여 마스터부를 구축하였다. 제어 방식은 상위에서 제어 알고리즘을 구성하여 필요 토크 지령을 계산하여 모터 드라이브로 보내도록 설계하였다.
- 그리고 경로계획을 통하여 산출된 경로점이 구해지면 경로를 보간하고 경로를 추종할 수 있도록 각 조인트의 구동기를 제어하는 제어 기술이 요구된다. 본 논문에서는 경로 계획 시 관절공간에서의 경로가 산출되므로 각 조인트 단에서 경로를 보간하여 이를 추종하는 제어가 이루어진다. 전체적인 시스템 제어 알고리즘의 흐름은 Fig.
- 본 절에서는 개발로봇을 활용하여 휴대폰 포장 공정 중 유닛 박스 포장 공정을 구현한 결과를 제시한다. 유닛 박스 포장 공정은 여러 종류의 액세서리를 유닛 박스에 담고 덮개를 덮는 과정을 포함한다.
- 상기 시나리오를 개발 로봇을 활용하여 구현하였다. 작업대는 컨베이어를 가정하여 제작하였고, 액세서리는 컨베이어의 앞쪽에 배치하였다.
- 선정한 로봇의 팔 길이를 근거로 작업공간 해석을 수행하였다. 양팔 로봇의 경우 양팔 작업이 가능한 공간이 매우 중요하므로, 양팔 작업공간에 영향을 주는 관절 회전각을 비대칭으로 설정하였다.
- 작업대는 컨베이어를 가정하여 제작하였고, 액세서리는 컨베이어의 앞쪽에 배치하였다. 실제 작업환경과는 차이가 있겠지만, 타당성 검증을 위하여 액세서리를 하나씩 테이블에 올려놓고 양팔을 활용하여 한 팔이 하나씩의 액세서리를 핸들링하도록 하였다. 전체적인 구현 결과는 Fig.
- 앞 절에서 도출한 필요 토크를 만족시키도록 구동부품을 선정하고 중공형의 구동 모듈 설계를 수행하였다. 중공형 모듈은 그 구조의 간결성 및 유지보수의 편의성 등의 장점을 가진다.
- 선정한 로봇의 팔 길이를 근거로 작업공간 해석을 수행하였다. 양팔 로봇의 경우 양팔 작업이 가능한 공간이 매우 중요하므로, 양팔 작업공간에 영향을 주는 관절 회전각을 비대칭으로 설정하였다. 대칭형으로 관절을 설계하면, 전후 원활한 동작이 가능하나 양팔 작업 공간을 충분히 확보하기 힘든 단점이 있다.
- 양팔로봇 시스템을 구현하기 위하여 앞 절에서 기술한 구동모듈을 제작하였다. 각 모듈의 사양에 따라서 1,2축용 모듈, 3,4축용 모듈, 5,6축용 모듈 그리고 7축용 모듈 4가지의 모듈이 제작되었으며 조립 완료된 모듈의 형상은 Fig.
- 이러한 휴대폰 포장 작업을 수행할 수 있는 양팔 로봇을 설계하기 위해서는 로봇의 외형적 크기 측면의 사양과 로봇이 작업이 가능하도록 하는 가반 중량 및 이에 따른 각 조인트의 필요 토크 등 동적인 사양을 산출하여야 한다. 이 두 가지 측면에서의 사양 도출을 진행하였다.
- 또한 충돌감지를 위하여 말단축을 제외한 모든 축에 조인트 토크 센서를 배치하였다. 이로 인하여 발생할 수 있는 토크 센서 및 감속기의 강성으로 인한 출력단 변형을 정확히 측정하기 위하여 이중 엔코더 구조를 제안하였다. 즉, 모터단 측정을 위하여 상대치 엔코더를 사용하고, 출력단 측정을 위하여 절대 엔코더를 사용하였다.
- 개발 로봇은 중공형 구동 모듈을 채택하고 있으므로 중공을 통과하는 케이블을 최소화하고자 하였다. 이를 위하여 모터 드라이브를 링크 내부에 배치하였고 Host PC와 모터 드라이브간의 연결을 EtherCAT 통신을 이용하여 데이지 체인 방식으로 구현하였다. 따라서 로봇에 공급해 주어야 하는 것은 모터 및 드라이브 구동 전원과 EtherCAT 통신 라인만으로 구성이 되고 이것이 중공형 구동 모듈의 중공부를 통하여 연결이 된다.
- 중공형 모듈은 그 구조의 간결성 및 유지보수의 편의성 등의 장점을 가진다. 이에 양팔로봇의 대표적인 개발사례인 Yasakawa의 Motoman 시리즈도 중공형으로 개발이 되었고, 한국기계연구원에서 개발했던 양팔로봇도 중공형을 채택하였다. 하지만 본 논문에서 제안하는 양팔로봇은 인간과 유사한 크기를 목표로 하기 때문에 기존의 로봇에 비하여 구동모듈의 크기에 제약이 있다.
- 본 논문에서는 휴대폰 포장 작업용 셀 공정 적용이 가능한 양팔로봇을 제안하였다. 인간과 동일한 작업공간에서 작업할 수 있는 로봇 개발이라는 최근 연구 경향 및 포장 작업 공정 분석에 근거하여 사양을 도출하였고 양팔로봇 설계 및 제작을 진행하였다. 또한 실제 휴대폰 포장 작업을 구현하여 성능을 입증함으로써 개발결과의 타당성을 검증할 수 있었다.
- 본 논문에서는 Simlab사에서 개발한 솔루션인 Realtime Roboitcs 프레임을 사용하여 마스터부를 구축하였다. 제어 방식은 상위에서 제어 알고리즘을 구성하여 필요 토크 지령을 계산하여 모터 드라이브로 보내도록 설계하였다. 모터 드라이브를 전류제어 모드로 사용하기 위해서는 빠른 응답속도가 요구되는데 EtherCAT을 활용하여 구축한 시스템에서 14축을 제어하는데 있어 1kHz이상의 제어 주기를 확보할 수 있었다.
대상 데이터
- 이를 위하여 특정 대상 모델을 선정하고 그 중 작업 대상 액세서리를 선정하였다. 다양한 휴대폰 액세서리 중 크기 및 형태의 다양성을 고려하여 4종류의 액세서리를 선정하였는데, 배터리, USB케이블, 휴대용 크래들, 이어폰이다. 이 때 작업 시나리오는 위의 Fig.
- 따라서 로봇에 공급해 주어야 하는 것은 모터 및 드라이브 구동 전원과 EtherCAT 통신 라인만으로 구성이 되고 이것이 중공형 구동 모듈의 중공부를 통하여 연결이 된다. 이러한 제약조건을 만족하도록 크기면에서 장점을 가지고 있는 ELMO사의 Gold Whistle 시리즈로 구성하였다.
- 유닛 박스 포장 공정은 여러 종류의 액세서리를 유닛 박스에 담고 덮개를 덮는 과정을 포함한다. 이를 위하여 특정 대상 모델을 선정하고 그 중 작업 대상 액세서리를 선정하였다. 다양한 휴대폰 액세서리 중 크기 및 형태의 다양성을 고려하여 4종류의 액세서리를 선정하였는데, 배터리, USB케이블, 휴대용 크래들, 이어폰이다.
- 우선 외형적인 측면에서는 서론에서 기술하였듯이 인간과 유사한 크기의 로봇을 개발할 경우, 기존의 생산 라인을 그대로 활용할 수 있고, 또한 인간 작업자와 같은 작업공간에서 작업을 할 수 있는 장점이 있다. 이에 개발하고자 하는 양팔 로봇의 높이 및 팔 길이를 성인 남자와 유사하도록 선정하였다. 한국인의 성인남자 평균 인체치수1를 참고하여 로봇의 크기를 Table 1과 같이 선정하였다.
- 5kg 이상이 요구된다. 이에 한 팔 가반 하중을 5kg 이상으로 선정하였다. 이 경우 유닛 박스 포장에 필요한 각종 액세서리의 핸들링 및 유닛 박스의 핸들링 또한 가능하다.
- 이로 인하여 발생할 수 있는 토크 센서 및 감속기의 강성으로 인한 출력단 변형을 정확히 측정하기 위하여 이중 엔코더 구조를 제안하였다. 즉, 모터단 측정을 위하여 상대치 엔코더를 사용하고, 출력단 측정을 위하여 절대 엔코더를 사용하였다. 이중 엔코더를 사용한 개념도는 Fig.
- 따라서 로봇 외부에서 공급되어야 하는 것은 전원선 및 모터 드라이브를 제어하기 위한 통신선 뿐이다. 케이블은 중공형 모듈을 통과하여 배치되므로 최적의 단면적으로 구성된 케이블을 선정하였고 또한 노이즈 차페를 위한 쉴드 케이블을 적용하였다.
- 이에 개발하고자 하는 양팔 로봇의 높이 및 팔 길이를 성인 남자와 유사하도록 선정하였다. 한국인의 성인남자 평균 인체치수1를 참고하여 로봇의 크기를 Table 1과 같이 선정하였다.
성능/효과
- 또한 로봇 링크와 결합하기 전에 각각의 구동 모듈에 대한 성능평가를 수행하였고 각 모듈별로 부하테스트를 수행하여 성능을 검증하였다. 그 결과 모두 목표 사양을 만족함을 확인할 수 있었다.
- 인간과 동일한 작업공간에서 작업할 수 있는 로봇 개발이라는 최근 연구 경향 및 포장 작업 공정 분석에 근거하여 사양을 도출하였고 양팔로봇 설계 및 제작을 진행하였다. 또한 실제 휴대폰 포장 작업을 구현하여 성능을 입증함으로써 개발결과의 타당성을 검증할 수 있었다.
- 그리고 각 조인트 구동속도를 결정하기 위하여 모션 분석 시스템을 활용하여 실제 사람이 유닛 박스 포장 작업시의 양팔 모션을 분석하였다. 포장 작업 수행 시에 환산된 조인트 앵글 속도 정보를 분석한 결과 대부분 작업구간에서 150 degree/sec를 넘지 않음을 확인하였다.
후속연구
- 본 논문에서 목표로 하고 있는 휴대폰 포장 공정을 구현하기 위해서는 다양한 핵심 요소 기술이 필요하다. 우선 휴대폰 액세서리 및 유닛 박스를 식별하고 위치를 파악할 수 있는 인식 기술이 요구된다.
- 추후 공정 적용 과정에서 발생할 수 있는 문제점들을 분석하여 개발 로봇의 보완을 수행하고 테스트 공정이 아닌 실 생산공정과 동일한 공정에 적용하여 그 결과를 제시할 예정이다.
- 이에 양팔로봇의 대표적인 개발사례인 Yasakawa의 Motoman 시리즈도 중공형으로 개발이 되었고, 한국기계연구원에서 개발했던 양팔로봇도 중공형을 채택하였다. 하지만 본 논문에서 제안하는 양팔로봇은 인간과 유사한 크기를 목표로 하기 때문에 기존의 로봇에 비하여 구동모듈의 크기에 제약이 있다. 또한 충돌감지를 위하여 말단축을 제외한 모든 축에 조인트 토크 센서를 배치하였다.
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